La curvatura dello spazio

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1 I Fisici e Internet da Arpanet al Garr dal Web alla Grid La curvatura dello spazio I Nel 1905 Albert Einstein pubblicò la Teoria della Relatività che scosse le fondamenta della fisica classica. Secondo la teoria di Einstein, le masse incurvano lo spazio-tempo circostante. 1

2 Un esempio spettacolare della curvatura dello spazio Un esempio spettacolare della curvatura dello spazio Supponiamo di voler osservare dalla terra una stella al di la del sole Luna Sole Stella Luce proveniente dalla stella con l eclissi l non siamo abbagliati, ma, ripensandoci, non dovremmo vedere la stella perché davanti a noi ci sono la luna e il sole, invece Luce proveniente dalla stella Terra l osservazione non è possibile perché siamo abbagliati dalla luce del sole, ma se aspettiamo che avvenga un eclissi Ecco come appare un eclissi di sole vediamo cosa succede Posizione osservata della stella per effetto della curvatura dello spazio- tempo impressa dalla grande massa del sole Posizione reale della stella Luce proveniente dalla stella Posizione osservata della stella la traiettoria della luce proveniente dalla stella subisce una deviazione e si osservano ben due immagini della stessa stella 2

3 Non c è c alcuna relazione tra rifrazione e curvatura dello spazio-tempo Rifrazione. La luce, nel passare da un mezzo ottico ad un altro (aria, acqua, vetro, ecc.) subisce una deviazione; per la trattazione matematica si utilizzano strumenti tradizionali (geometria euclidea e trigonometria) aria Da questo punto l osservatore non vede la moneta acqua Da questo punto l osservatore vede la moneta ma in una posizione diversa da quella reale Fig. 1 - Rifrazione Orologi posti in campi gravitazionali di diversa intensità portano orari diversi (relatività generale) Se ci allontaniamo dalla terra il nostro peso diminuisce in altre parole il Km campo gravitazionale diminuisce man mano che Va avanti! ci allontaniamo dalla terra. Curvatura dello spazio-tempo tempo. La luce, passando in prossimità di una grande massa, subisce una deviazione dovuta alla curvatura dello spazio-tempo; per la trattazione matematica, si utilizzano geometrie curve (geometrie non euclidee) Fig. 2 Curvatura dello spazio-tempo Va indietro! Secondo Einstein un orologio a terra scandisce il tempo più lentamente di un orologio posto su un satellite artificiale La domanda: Ma esistono prove della relatività di Einstein nella vita quotidiana che non siano quelle effettuate dagli scienziati chiusi nei loro inaccessibili laboratori? Un esempio quotidiano di dilatazione dei tempi: IL SISTEMA GPS (Global Positioning System) Il sistema GPS serve per individuare la posizione di un oggetto sulla terra (ad es. un automobile) Nasce da esigenze militari (USA) Utilizza 24 satelliti ad una quota di circa Km L Europa ha il sistema Galileo che prevede 30 satelliti (uso civile) Il GPS calcola le distanze utilizzando i tempi di trasmissione di onde elettromagnetiche tra l oggetto da individuare e i satelliti Se non si applicassero le correzioni relativistiche sulla dilatazione dei tempi il sistema sbaglierebbe l individuazione della posizione di centinaia di metri!!! 3

4 A proposito di satelliti artificiali, facciamo un passo indietro nel tempo il 4 ottobre 1957, in piena guerra fredda, l Unione Sovietica effettua il lancio dello SPUTNIK, il primo satellite al mondo lanciato in orbita attorno alla terra; viaggiando a una quota di 300 Km e a una velocit ocità di 8 Km/s, rientrerà sulla terra dopo 90 minuti Nasce l era l dei satelliti SPIA! Domanda: ma cosa c entrano c i fisici e la Fisica con Internet?? Risposta: L hanno inventata! Raccontiamone la storia e le prospettive. Cenni storici Arpanet e la nascita di Internet Anni '70: a che punto era la tecnologia? Reti locali e geografiche... al Garr La Rete italiana Il Garr Sommario Da Arpanet... Dal Web... Archiviazione dati Condivisione dei dati Al Cern nasce il WEB... alla Grid Potenza di calcolo per lunghi periodi Condor: un precursore della Grid La Rete e il Calcolo Parallelo Esperimenti di fisica: grande quantità di dati ed esigenza di grandi potenze di calcolo Nasce Grid Trasferimento dati ad alta velocità Campus Grid 4

5 Le reazioni americane al lancio dello Sputnik da parte dei sovietici I problemi di spionaggio risalgono fino ai tempi di Giulio Cesare che usava un codice segreto per le comunicazioni fra le legioni durante la guerra gallica Il Dipartimento della Difesa americana mostrò l esigenza di una rete di computer di controllo e di comando per far fronte ad un eventuale guerra nucleare contro l Unione Sovietica. Le reti telematiche militari, fatte con i circuiti della telefonia tradizionale, venivano considerate troppo vulnerabili. La rete ARPANET nel dicembre 1969 Nel 1958 nasce negli USA l agenzia ARPA (Advanced Research Project Agency) aveva il compito di fornire nuove ed avanzate tecnologie ai militari La rete ARPANET nel 1971 La rete ARPANET nel

6 Sviluppo di ARPANET dicembre nodi luglio nodi marzo nodi aprile nodi settembre nodi gennaio 1983 >200 nodi gennaio Primi collegamenti satellitari Dall interno di un camion, per le strade della California Nei primi anni 70 un ricercatore si collegò via radio con il suo computer alla rete Arpanet e da questa, via satellite, si collegò con il suo calcolatore della University College di Londra. Oggi nel mondo abbiamo milioni di nodi! Londra Nascita dei protocolli di Internet Gli studi sui collegamenti tra reti remote culminarono nel 1974 con la definizione ad opera di Cerf e Kahn dei protocolli TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol) Nel 1977 nasce la posta elettronica Dagli anni 60 fino alla fine degli anni 80 Internet fu praticamente un esclusiva dei dipartimenti scientifici delle università, impiegata da una ristretta cerchia di studiosi e ricercatori Nel 1977 a Los Angeles in California decollò lo strumento fondamentale che favorì la comunicazione di messaggi in tempo reale e a costi irrisori: la POSTA ELETTRONICA Oggi in Italia si spediscono 400 milioni di mail al giorno pari a circa 146 miliardi di mail all anno anno. Agli inizi del 2005 è stata pubblicata la legge che conferisce valore legale alla Posta Elettronica 6

7 Nel 1983 MILNET,, la rete militare USA, si stacca da ARPANET e nascono nuove reti Evoluzione velocità trasmissione dati NFSNET HEPNET BITNET EARN (mondo accademico USA) (fisici delle alte energie) (mainframe IBM) (mondo accademico europeo) Anni 70: collegamenti a 56 kbps Anni 90: collegamenti a 1 Gbps Oggi: collegamenti a 10 Gbps Strumenti di calcolo anni 70 Anni 70: a che punto era la tecnologia? 1 Byte = 8 bit 1 bit Macchina calcolatrice Olivetti, faceva le quattro operazioni! memoria a nuclei di ferrite 7

8 Confronto tra le dimensioni delle memorie di ieri e di oggi Anni Byte = 1024 bit Anni 70: a che punto era la tecnologia? Le schede perforate Nel 2004 Scheda di memoria da 4 Gbyte,, pari a 32 Gbit, cm 13 cioè 32 miliardi di bit circa All epoca i terminali erano poco diffusi, i programmi venivano scritti, tramite macchine perforatrici, su schede che potevano contenere al massimo 80 caratteri In una seconda fase le schede venivano lette da apposite macchine ed incamerate dal calcolatore Un po di nomenclatura LAN: Local Area Network Reti locali (LAN) a bus MAN: Metropolitan Area Network WAN: Wide Area Network 8

9 Connessione al Cavo Giallo Anni 90: fine delle reti a BUS e Piano III Confrontiamo il vecchio e grosso Tranceiver con l attuale l e minuscolo connettore RJ45 nascita dei Sistemi a Stella Piano II Piano I HUB di CentroStella Scheda di rete Ethernet Internet Fibre ottiche La rete senza fili (wireless ( o wifi) I ROUTER sono macchine che consentono la comunicazione tra calcolatori appartenenti a reti locali remote I Router Router Internet Roma Router Napoli 9

10 tracert (tracert significa trace route, cioè traccia la rotta) Quali e quanti sono i router che i nostri byte devono Per saperlo, e se siete attraversare per andare da collegati a Internet, aprite un Napoli al server WWW di Otteniamo: finestra di Chicago? DOS e scrivete: Traccia della rotta che tracert compiono i nostri byte per arrivare a destinazione I Router da Napoli al Fermilab di Chicago 1 modl3-134 ( ) ms ms ms 2 mercurio205 ( ) ms ms ms 3 rc-infnna.na.garr.net ( ) ms ms ms 4 rt-na1-rt-bo1.bo1.garr.net ( ) ms ms ms 5 rt2-bo1-rt1-bo1.bo1.garr.net ( ) ms ms ms 6 rt-bo1-rt-mi1.mi1.garr.net ( ) ms ms ms 7 garr.it1.it.geant.net ( ) ms ms ms 8 it.ch1.ch.geant.net ( ) ms ms ms 9 ch.fr1.fr.geant.net ( ) ms ms ms 10 fr.uk1.uk.geant.net ( ) ms ms ms 11 uk.ny1.ny.geant.net ( ) e otterrete ms ms ms 12 esnet-gw.ny1.ny.geant.net ( ) Capiamo ms dove ms si trova ms 13 chicr1-oc192-aoacr1.es.net ( ) un eventuale ms interruzione ms ms 14 fnal-pos-chi.es.net ( ) lungo ms la tratta ms ms 15 ge2-1.r-s-bdr.fnal.gov ( ) ms ms ms 16 vlan313.r-s-hub-fcc.fnal.gov ( ) ms ms ms 17 vlan305.r-s-fcc2-server.fnal.gov ( ) ms ms ms 18 s-s-alteon-fcc.fnal.gov ( ) ms ms ms Il Fermilab (Chicago) La rete in Italia nel 1978 La rete in Italia nel 1984 L Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e stato pioniere nelle reti informatiche in Italia La prima connessione Roma Frascati fu realizzata nel 1978 con un collegamento a 4800 bps Napoli é stata connessa per la prima volta nel 1984 con Frascati ad una velocità di 9600 bps 10

11 Reti Enti di Ricerca INFNET (rete dei fisici dell INFN INFN) ASTRONET (rete degli Astrofisici) CNRNET (rete dei ricercatori del CNR) CINECA (Bologna) CILEA (Milano) Reti universitarie Prima connessione internazionale CNAF INFN BO CERN Ginevra, 1986 La rete GARR Nel 1988 su iniziativa del ministro Ruberti nasce la rete GARR (Gruppo di Armonizzazione Reti della Ricerca) Scopo del GARR era quello di collegare organicamente le reti della ricerca che fino ad allora si erano formate indipendentemente l una l dall altra altra Nel 1991 nasce il Polo GARR di Napoli Floppy disk anni 80-90: da 80 KB a 1,44 MB Floppy da 8 8 Il problema dell archiviazione Floppy da 5 ¼ 5 e della distribuzione dei dati Floppy da 3 ½ 3 11

12 Hard Disk dei anni Hard Disk odierni da 30 a 60 MByte da 5 MByte Hard disk fino a GByte = 1 TeraByte Memorie flash di oggi Condivisione dischi tramite NFS, AFS, ecc. Memoria da 4 GByte Tramite particolari configurazioni possiamo fare in modo che Il calcolatore B possa leggere i dati presenti sul disco del calcolatore A e Il calcolatore C possa leggere i dati presenti sul disco del calcolatore B 12

13 Soluzioni troppo complesse! Al CERN di Ginevra (Centro Europeo Ricerche Nucleari), nel 1989 Ciò che abbiamo visto sono soluzioni tecnicamente complesse destinate ad essere utilizzate solo dagli addetti ai lavori, ma viene proposta una nuova e rivoluzionaria soluzione alla distribuzione dei dati al Cern nasce il WWW (World Wide Web) Problemi di compatibilità risolti Il Web risolse in maniera brillante i problemi di comunicazione tra calcolatori completamente diversi tra loro sia come hardware sia come software Il fisico Tim Berners Lee del CERN inventa il WEB Il primo server Web al Cern di Ginevra 13

14 Il WWW (World Wide Web) si ha la prima dimostrazione al pubblico del web alla conferenza Hypertext a S. Antonio nel Texas fu creata la prima interfaccia grafica denominata Mosaic presso l NCSA (National Center for Supercomputing Applications) Il WWW a Napoli il 23 novembre 1993 Il WWW a Napoli Il primo server WWW ufficiale dell Italia meridionale fu realizzato presso la Sezione di Napoli dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ed il Dipartimento di Scienze Fisiche dell Università di Napoli Federico II ad opera di Luca Lista Leonardo Merola Ecco come si presentava il primo server www ufficiale dell Italia meridionale Esigenze dei fisici Archiviazione di grandi quantità di dati Elaborazione di grandi quantità di dati KiloByte = 10 3 MegaByte = 10 6 GigaByte = 10 9 Un po di nomenclatura Byte (mille) Byte (un milione) Byte (un miliardo) TeraByte = Byte (mille miliardi) PetaByte = Byte (un milione di miliardi) 14

15 Secondo Einstein masse accelerate producono perturbazioni dette onde gravitazionali. Le onde gravitazionali L esperimento Virgo a Cascina (Pisa) Antenna gravitazionale basata su interferometro Michelson Le onde gravitazionali, se esistono, avranno un energia debolissima e faranno muovere l interferometro di una quantità estremamente piccola: m. 10 Questa teoria non è stata ancora dimostrata Rappresentazione artistica di onde gravitazionali prodotte da una stella doppia A regime verranno acquisiti 500 GB al giorno pari a 200 TB all anno anno (200 milioni di miliardi di byte all anno) anno) 3 Km Osservatorio astronomico di La Silla in Cile Immagini dallo spazio 15

16 Ginevra Centro Europeo Ricerche Nucleari Il Cern Il Cern L esperimento LHC al Cern (Large Hadron Collider) L acceleratore sarà pronto nel 2007; vi lavorano 6000 persone; produrrà circa 12 PetaBytes di dati all anno cioè: Byte pari a circa 20 milioni di CD! L analisi dei dati richiederà una potenza di calcolo pari a PC!!! Da dove prenderemo tutte queste risorse di calcolo? 16

17 Dal WEB Il WEB ha trasformato i calcolatori di tutto il mondo in un unico grande archivio accessibile molto facilmente da tutti alla GRID Il progetto GRID vuole unire i calcolatori di tutto il mondo in un unica unica grande risorsa per l archiviazione e l elaborazione da fruire in modo semplice e immediato dei DATI L ambizione: Creare una WWG, ovvero una World Wide Grid Macchine e Servizi GRID Per eseguire i nostri programmi basterà collegarsi ad un solo calcolatore e saranno poi altri calcolatori a scegliere, tra milioni di computer sparsi in tutto il mondo, quali e quanti utilizzare 17

18 Stato della Grid Clicca qui per mostrare animazione USA EUROPA (ESC per uscire dall animazione animazione) Pamela Pamela Payload Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics Pamela is a permanent magnet core facility with specialized detectors. Goals: origin and evolution of matter in the galaxy search for antimatter and dark matter of cosmological significance ce understanding of origin and acceleration of relativistic particles in the galaxy. Pamela will be put in an elliptical orbit at an altitude between 300 and 600 Km, on board of the Resurs DK1 Russian satellite in the fall of the year L antenna ricevente dell agenzia NTsOMZ a Mosca Trasferimento file da 1 GByte con tecniche tradizionali Stoccolma Ftp: 21 8 Mosca Ftp: Napoli 18

19 Velocità di trasferimento file A Napoli, pur avendo un collegamento a 32 Mbps non si riusciva a trasferire file ad una velocità maggiore di 6 Mbps Velocità di trasmissione in Mbps Traffico Router di Napoli anche se la linea era poco utilizzata! Trasferimento file da 1 GByte con GridFtp Ftp: 21 8 GridFtp: 5 7 Stoccolma Napoli Mosca Ftp: GridFtp:5 25 Campus Grid a Napoli Chimica Fisica Matematica Complesso Universitario di Monte Sant Angelo Rischio Ambientale 19

20 I Fisici e Internet da Arpanet al Garr dal Web alla Grid Niels Bohr ( ) 1962) premio Nobel per la fisica nel 1922 Wolfgang Pauli ( ) 1958) premio Nobel per la fisica nel 1945 Domande? 20